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Thèse Année : 2023

Study of the mechanisms and species involved in the retention of uranium (VI) at trace concentration at the clay-solution interface

Étude des mécanismes et des espèces impliqués dans la rétention des faibles concentrations d’uranium (VI) à l'interface argile-solution

Shangyao Guo
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1352037
  • IdRef : 275665763

Résumé

Deep clay rock formation as a geological barrier in a repository is a suitable option for the long-term management of radioactive waste, as these formations have a remarkable capacity to retard radionuclides (RN) due to their outstanding physicochemical properties. However, the long-term degradation of the near-field multi-barrier system is a crucial issue of repository safety, as it could lead to the gradual migration of RN to human-accessible environments over a long period. In this context, a refined understanding of RN sorption mechanisms on clay rocks is mandatory to develop reliable predictive models of reactive transport in these rocks under near-field or far-field storage conditions, especially in the cases of chemical perturbation of mediums. The main aim of this study is to gain mechanistic knowledge of the sorption of uranyl ions in the presence of phosphate ligands and Fe3+ ions on a clay rock (illite du puy, noted IdP). To achieve this objective, the traditional batch sorption experiments of uranyl ions at trace level onto illite, electrophoretic mobility analyses of clay particles, and in-situ ATR FTIR measurements of the illite–solution interface along the (co)sorption process have been carried out. The results obtained on the (co)sorption of uranyl and phosphate ions suggested the coexistence of several species of phosphate and uranyl-phosphate at the clay-solution interface, whose contribution varied as a function of concentrations of phosphate and uranyl ions and reaction time, with a transition observed during sorption between the formation of outer-sphere complexes and inner-sphere complexes. The results of the effects of Fe3+ ions on the sorption of uranyl ions in the presence of phosphate ligands spectroscopically suggested a significant competitive effect between these metals for the surface sites of illite. The contribution of this study is to highlight the formation of different species involving the phosphate ligands, uranyl ions, and competing Fe3+ ions, coexisting at the illite–water interface for trace concentrations of metals. These mechanistic data, and the method used, contribute to a better understanding of the process of transport and retention of uranyl ions in clay systems and to the transferability of experimental/mechanical data obtained on the behavior of uranium (VI) to "real systems".
Le stockage dans des formations argileuses profondes comme une barrière géologique est une option envisagée pour la gestion à long terme des déchets radioactifs. Ces formations ont des capacités fortes à retarder la migration des radionucléides (RN) grâce à leur propriété physicochimique pertinente. Or la dégradation à long terme du système multi-barrières en champ proche est un problématique crucial pour la sûreté de stockage des sites, car elle pourrait entraîner la migration progressive des RN vers des environnements accessibles à l'humain sur une longue période. Dans le cadre des étudies de sûreté, une compréhension affinée des mécanismes de la sorption des RN sur les roches argileuses est indispensable afin de développer des modèles prédictifs fiables du transport réactif des RN dans ces roches, en conditions de champ proche ou lointain des stockages, et notamment en cas de perturbations chimiques des milieux. L’objectif principal de cette étude est d’acquérir des connaissances mécanistes sur la sorption des ions uranyle en présence de ligands phosphate et des ions Fe3+ sur une roche argileuse (illite du puy, noté IdP). Pour pouvoir attendre à cet objectif, des expériences de sorption des ions uranyle en lots, des analyses de la mobilité électrophorétique des particules argileuses et des mesures de la spectroscopie IRTF RTA in-situ de l'interface illite-solution tout au long des processus de (co)sorption des ions uranyle ont été réalisés. Les résultats obtenus sur la (co)sorption d’ions uranyle et phosphate suggèrent la coexistence de plusieurs espèces de l’ion phosphate et espèces phosphatées de l’ion uranyle à l’interface argile-solution, dont la contribution varie en fonction de concentrations en phosphate, en ions uranyle et temps de réaction, avec une transition observée au cours de la sorption entre formation de complexes de sphère externes en complexes de sphère interne. Les résultats des effets des ions Fe3+sur la sorption des ions uranyle en présence de ligands phosphate suggèrent spectroscopiquement un effet compétitif fort entre ces métaux pour la surface de l’illite. Cette étude a mis en évidence la formation des différentes espèces, impliquant ligands phosphate, ions uranyle, et ions Fe3+ compétiteurs, qui coexistent à l’interface illite-solution, pour des concentrations traces en métaux. Ces données mécanistes, et l’approche utilisée, contribuent à une compréhension plus fine du processus du transport d’ions uranyle et de leur rétention dans des systèmes argileux, et à la transférabilité des données expérimentales / mécanistes obtenues sur le comportement de l’uranium (VI) à des « systèmes réels ».
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04457298 , version 1 (14-02-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04457298 , version 1

Citer

Shangyao Guo. Study of the mechanisms and species involved in the retention of uranium (VI) at trace concentration at the clay-solution interface. Radiochemistry. Université de Strasbourg, 2023. English. ⟨NNT : 2023STRAE023⟩. ⟨tel-04457298⟩
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